A caccia di vita extraterrestre nell’Universo, tra pregiudizi e paradossi: dei pattern molecolari potrebbero aiutare a scovarla

Gli scienziati sono a caccia di vita extraterrestre nel Sistema Solare, ma tale vita potrebbe essere leggermente o profondamente diversa dalla vita terrestre, e metodi basati sulla rilevazione di particolari molecole come firme biologiche potrebbero non essere applicabili alla vita con una diversa storia evolutiva. Un nuovo studio condotto da un team congiunto con sede in Giappone e Stati Uniti, guidato da ricercatori dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology, ha sviluppato una tecnica di apprendimento automatico che valuta miscele organiche complesse utilizzando la spettrometria di massa per classificarle in modo affidabile come biologiche o abiologiche.
La domanda “siamo soli?” come esseri viventi nell’Universo ha affascinato l’umanità per secoli: tra i vari esempi, abbiamo cercato la vita extraterrestre nel Sistema Solare sin dalla missione Viking 2 della NASA su Marte nel 1976. Ci sono attualmente numerosi modi in cui gli scienziati stanno cercando la vita: questi includono l’ascolto di segnali radio da civiltà avanzate nello spazio profondo, la ricerca di sottili differenze nella composizione atmosferica dei pianeti attorno ad altre stelle e il tentativo diretto di rilevazione in campioni di suolo e ghiaccio che si possono raccogliere utilizzando veicoli spaziali nel nostro Sistema Solare.

Missioni emozionanti, come il rover Perseverance della NASA, cercheranno la vita su Marte: Europa Clipper della NASA, lanciato nel 2024, proverà a campionare il ghiaccio espulso dalla luna di Giove Europa, e la missione Dragonfly tenterà di far atterrare un velivolo sulla luna di Saturno Titano a partire dal 2027. Queste missioni tenteranno tutte di rispondere alla domanda “siamo soli?”.
La spettrometria di massa (MS) è una delle tecniche principali su cui gli scienziati faranno affidamento nelle ricerche basate su veicoli spaziali per la vita extraterrestre: ha il vantaggio di poter misurare simultaneamente moltitudini di composti presenti nei campioni, fornendo così una sorta di “impronta digitale” della composizione del campione. Tuttavia, interpretare queste impronte potrebbe essere complicato.
Tutta la vita sulla Terra si basa sugli stessi principi molecolari altamente coordinati, il che dà agli scienziati la certezza che tutta la vita terrestre derivi da un comune antico antenato terrestre. Tuttavia, nelle simulazioni dei processi primitivi che gli scienziati ritengono possano aver contribuito alle origini della vita sulla Terra, vengono spesso rilevate molte versioni simili ma leggermente diverse delle particolari molecole utilizzate dalla vita terrestre. Inoltre, i processi chimici naturali sono anche in grado di produrre molti degli elementi costitutivi delle molecole biologiche. Dal momento che non abbiamo ancora un campione conosciuto di vita aliena, questo lascia agli scienziati un paradosso concettuale: la vita terrestre ha fatto alcune scelte arbitrarie all’inizio dell’evoluzione che sono state cristallizzate, e quindi la vita potrebbe essere costruita diversamente, o dovremmo aspettarci che tutta la vita ovunque sia costretta ad essere esattamente nello stesso modo in cui è sulla Terra? Come possiamo sapere che il rilevamento di un particolare tipo di molecola è indicativo del fatto che sia stato o meno prodotto dalla vita extraterrestre?
Gli scienziati sono stati a lungo turbati dal fatto che i pregiudizi nel modo in cui pensiamo che la vita dovrebbe essere rilevabile, che sono in gran parte basati su come è attualmente la vita sulla Terra, potrebbero far fallire i nostri metodi di rilevamento. Viking 2 infatti ha restituito risultati strani da Marte nel 1976: alcuni dei test che ha condotto hanno fornito segnali considerati positivi per la vita, ma le misurazioni della SM non hanno fornito prove della vita come la conosciamo. Dati più recenti sulla SM dal rover Mars Curiosity della NASA suggeriscono che ci siano composti organici su Marte, ma ancora non forniscono prove per la vita. Un problema connesso ha afflitto gli scienziati che tentano di rilevare le prime prove di vita sulla Terra: come possiamo sapere se i segnali rilevati in antichi campioni terrestri provengono dagli organismi viventi originali conservati in quei campioni o derivano dalla contaminazione degli organismi che attualmente abitano il nostro pianeta?

Scienziati presso l’Earth-Life Science Institute presso il Tokyo Institute of Technology in Giappone e il National High Magnetic Field Laboratory (The National MagLab) negli Stati Uniti hanno deciso di affrontare questo problema utilizzando un approccio computazionale combinato sperimentale e di apprendimento automatico. Il National MagLab è supportato dalla US National Science Foundation tramite NSF / DMR-1644779 e dallo Stato della Florida per fornire tecnologie all’avanguardia per la ricerca. Utilizzando MS ad altissima risoluzione (una tecnica nota come Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry e FT-ICR MS) hanno misurato gli spettri di massa di un’ampia varietà di miscele organiche complesse, comprese quelle derivate da campioni abiologici realizzati in laboratorio (non viventi), miscele organiche trovate nei meteoriti (che sono campioni di composti organici prodotti abiologicamente che sembrano non essere mai diventati vivi, risalenti a 4,5 milioni di anni fa), microrganismi coltivati ??in laboratorio (che soddisfano tutti i criteri moderni dell’essere vivi, inclusi nuovi organismi microbici isolati e coltivati ??dal coautore dell’ELSI Tomohiro Mochizuki) e petrolio non trasformato (o petrolio greggio naturale grezzo, il tipo che estraiamo dal terreno e trasformiamo in benzina, che è derivato da organismi vissuti molto tempo fa sulla Terra, fornendo un esempio di come l ‘”impronta digitale” di organismi viventi conosciuti potrebbe cambiare nel tempo geologico). Ciascuno di questi campioni conteneva decine di migliaia di composti molecolari separati, che fornivano un ampio insieme di spettri MS che potevano essere confrontati e classificati.

Contrariamente ai metodi che utilizzano l’accuratezza delle misurazioni della SM per identificare in modo univoco ogni picco con una particolare molecola in una miscela organica complessa, i ricercatori hanno invece aggregato i loro dati e hanno esaminato le statistiche generali e la distribuzione dei segnali. Miscele organiche complesse, come quelle derivate da esseri viventi, petrolio e campioni abiologici, presentano “impronte digitali” molto diverse se viste in questo modo. Tali pattern sono molto più difficili da rilevare per un essere umano rispetto alla presenza o all’assenza di singoli tipi di molecole.
I ricercatori hanno inserito i loro dati grezzi in un algoritmo di apprendimento automatico del computer e hanno scoperto che gli algoritmi erano in grado di classificare accuratamente i campioni come viventi o non viventi con una precisione del 95% circa. È importante sottolineare che lo hanno fatto dopo aver semplificato notevolmente i dati grezzi, rendendo plausibile che strumenti a bassa precisione, strumenti basati su veicoli spaziali, spesso a bassa potenza, potrebbero ottenere dati di risoluzione sufficiente per consentire l’accuratezza della classificazione biologica ottenuta dal team.

Le ragioni alla base di questa accuratezza di classificazione possono rimanere ancora da esplorare, ma il team suggerisce che ciò sia a causa dei modi in cui i processi biologici, che modificano i composti organici in modo diverso dai processi abiologici, si relazionano ai processi che consentono alla vita di propagarsi. I processi viventi devono fare copie di se stessi, mentre i processi abiologici non hanno alcun processo interno che lo controlli.

“Questo lavoro apre molte strade entusiasmanti per l’utilizzo della spettrometria di massa ad altissima risoluzione per applicazioni astrobiologiche“, ha ffermato il coautore Huan Chen del National MagLab degli Stati Uniti.
L’autore principale Nicholas Guttenberg ha aggiunto: “Sebbene sia difficile, se non impossibile, caratterizzare ogni picco in una miscela chimica complessa, l’ampia distribuzione dei componenti può contenere schemi e relazioni informative sul processo mediante il quale quella miscela è nata o si è sviluppata. Se un giorno comprenderemo la chimica prebiotica complessa, avremo bisogno di modi di pensare nei termini di questi schemi generali – come si verificano, cosa implicano e come cambiano – piuttosto che in termini di presenza o assenza di singole molecole. Questo studio è un’indagine iniziale sulla fattibilità e sui metodi di caratterizzazione a quel livello e mostra che anche scartando misurazioni di massa ad alta precisione, ci sono informazioni significative nella distribuzione dei picchi che possono essere utilizzate per identificare i campioni in base al tipo di processo che li ha prodotti“.
Il coautore Jim Cleaves di ELSI ha concluso: “Questo tipo di analisi relazionale può offrire ampi vantaggi per la ricerca della vita nel Sistema Solare, e forse anche in esperimenti di laboratorio progettati per ricreare le origini della vita“.
Il team prevede di proseguire con ulteriori studi per comprendere esattamente quali aspetti di questo tipo di analisi dei dati consentono una classificazione così efficace.

Riferimenti:

Nicholas Guttenberg, Huan Chen, Tomohiro Mochizuki, H. James Cleaves II, Classification of the Biogenicity of Complex Organic Mixtures for the Detection of Extraterrestrial Life, Life, DOI: 10.3390/life11030234